SB_19242NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Herstellung und Applikation
thermoplastumhüllter
Lotpartikel für die löttechnische
Fertigung mit
pulverförmigen Hartloten

Herstellung und Applikation
thermoplastumhüllter
Lotpartikel für die
löttechnischeFertigung mit
pulverförmigen Hartloten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.242 N
DVS-Nr.: 07.086
Leibniz Universität Hannover,
Institut für Werkstoffkunde (IW)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.242 N / DVS-Nr.: 07.086 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 424
Bestell-Nr.: 170533
ISBN: 978-3-96870-423-4
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................................................................................ 1
1.1 Problemstellung ............................................................................................... 1
1.2 Zielsetzung ...................................................................................................... 2
2 Durchgeführte Arbeiten ....................................................................................... 4
2.1 Werkstoffe ....................................................................................................... 4
2.2 Thermoplastauswahl ....................................................................................... 5
2.2.1 Analyse des Zersetzungsverhaltens unter Lötprozessbedingungen ..... 6
2.2.2 Adhäsion ............................................................................................... 7
2.3 Mischen ........................................................................................................... 7
2.3.1 Aufbau des Mischers ............................................................................. 7
2.3.2 Durchführung der Mischversuche.......................................................... 8
2.4 Partikelvereinzelung ........................................................................................ 8
2.4.1 Kugelmühle ........................................................................................... 9
2.4.2 Kugelwalze ............................................................................................ 9
2.5 Versuchsbegleitende Partikelanalysen .......................................................... 10
2.6 Einbrennen .................................................................................................... 11
2.7 Haftfestigkeit .................................................................................................. 12
2.8 Elektrostatische Beschichtungsanlage .......................................................... 13
2.9 Pulverflammspritzen ...................................................................................... 14
2.10 Lötversuche ................................................................................................... 15
3 Ergebnisse ........................................................................................................ 18
3.1 Thermoplastauswahl ..................................................................................... 18
3.2 Mischen ......................................................................................................... 20
3.2.1 Vereinzeln mittels Kugelmühle ............................................................ 22
3.2.2 Vereinzeln mittels Kugelwalze ............................................................. 23
3.3 Einbrennen und Haftfestigkeit ....................................................................... 25
3.4 Elektrostatisches Beschichten ....................................................................... 27
3.5 Pulverflammspritzen thermoplastumhüllter Lotpulver .................................... 29
3.6 Lötversuche ................................................................................................... 31
4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen .................................................... 35
5 Ausblick ............................................................................................................ 42
I

Inhaltsverzeichnis
6 Zusammenstellung aller Arbeiten, die im Zusammenhang mit dem Vorhaben
veröffentlich wurden oder in Kürze veröffentlicht werden sollen........................ 43
7 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................................... 44
8 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts .............................................................................................. 46
9 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der
erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrages
und ihrer industriellen Anwendungsmöglichkeiten ............................................ 47
10 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 48
II

Einleitung
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
Pulverförmige Lote werden meist über die Applikation von lösungsmittelhaltigen
Lotpasten resp. Lotsuspensionen mittels Dispenser, Siebdruck oder Sprühtechnik
aufgebracht. Des Weiteren sind für spezielle Anwendungen der Einsatz von flexiblen
Lot-Tapes aus kunststoffgebundenen Lotpulvern bekannt [1]. Darüber hinaus wird in
der Literatur verschiedentlich über die Verwendung von Thermoplasten als Bindemittel
für Lotpulver berichtet [2-5]. Auch am Institut für Werkstoffkunde wurden in der
Vergangenheit Verfahren entwickelt, die eine lösungsmittelfreie Verarbeitung und
Applikation von Lotpulvern durch Verwendung thermoplastischer Kunststoffe als Binder
ermöglichen [6-8]. Zum Einsatz kamen hierbei mit Lotpulver gemischte Polyolefine
(Polyethylen oder Polypropylen), die mittels der für die verwendeten Thermoplaste
typischen Fertigungsverfahren (Sintern, Extrudieren, Kunststoffspritzgießen etc.) zu
Lotformteilen verarbeitet oder als Beschichtung auf zu lötende Bauteilflächen
aufgetragen werden können. Eine wesentliche Bedingung für die Eignung dieser
Lotapplikationsform ist die rückstandsfreie thermolytische Zersetzung der verwendeten
Thermoplaste im Lötprozess, welcher bei Nickelloten entweder unter Schutzgas
(Stickstoff, Argon oder Wasserstoff) oder im Hochvakuum erfolgt. Ein diesbezüglich
ebenfalls günstiges thermolytisches Verhalten unter Lötprozessbedingungen ist auch
von heteroatomaren Thermoplasten aus den Gruppen der aliphatischen, sauerstoffhaltigen
Polyvinylverbindungen und Polyestern, die vornehmlich kurzkettige und damit
volatile Zersetzungsprodukte liefern, bekannt [9-13].
Bei den bisherigen in der Literatur beschriebenen Anwendungen von thermoplastisch
gebundenen Lotpulvern mussten verfahrensbedingt bislang immer Binderanteile von
mindestens 6 % Masseanteil eingestellt werden, um die Mischung beispielsweise zu
einer haftfesten Beschichtung sintern oder hieraus Lotformteile z. B. spritzgießen zu
können [8]. Für eine ausreichende Haftfestigkeit zwischen einzelnen Lotpartikeln
und/oder zwischen Lotpartikeln und zu belotender Oberfläche ist es aber grundsätzlich
ausreichend, wenn sich der Binder tatsächlich nur zwischen den unmittelbaren
Kontaktpunkten befindet, sodass prinzipiell noch eine deutliche Reduktion des
Thermoplast-Anteils möglich sein sollte. Um dies zu erreichen, ist es zielführend, den
Binder bereits auf die Partikel selbst aufzubringen, was bedeutet, jedes einzelne
Lotpartikel mit einer dünnen thermoplastischen Umhüllung zu überziehen. Bei
thermischer Behandlung der umhüllten Partikel, wird der aufschmelzende Thermoplast
eine Verklebung der Partikel sowohl untereinander als auch zur kontaktierten
Bauteiloberfläche zur Folge haben. Kunststoffumhüllte Lotpartikel bieten überdies die
Möglichkeit, diese mittels eines elektrostatischen Spritzverfahrens auf
Bauteiloberflächen applizieren zu können.
1

Einleitung
1.2 Zielsetzung
Ein bereits in Vorversuchen zu diesem Projekt nachgewiesener Weg, auf prozesstechnisch
einfache Weise Lotpulverpartikel mit einem Thermoplast zu umhüllen, stellt
folgende Fertigungsroute dar:
• Mischen und Kneten von Lotpulver-Thermoplast-Mischungen oberhalb der
Schmelztemperatur des verwendeten Thermoplasts
• Zerkleinern und Mahlen des erkalteten Agglomerats bis zur vollständigen
Vereinzelung der Partikel
• Aussieben des Produkts auf die gewünschte Partikelgrößenverteilung
Um die vorgeschlagene Technik der Lotpartikelumhüllung mit Thermoplasten zur
Anwendungsreife zu bringen und das Potenzial zur löttechnischen Verarbeitbarkeit
dieser Lotpulver zu ergründen, wurden im Rahmen dieses Projektes folgende
Fragestellungen untersucht:
1. Welche Thermoplaste sind aufgrund ihrer thermophysikalischen, rheologischen
und plastischen Eigenschaften, ihrer Haftung zu Metalloberflächen und ihrer
thermischen Beständigkeit für die thermisch-mechanischen Verarbeitungsprozesse
grundsätzlich geeignet? Eignen sich diese Thermoplaste dann auch
als Binder in einem Lötprozess?
2. Wie sind die Prozessparameter in der zu untersuchenden Fertigungsroute zu
wählen, um gleichmäßige, reproduzierbare Partikelumhüllungen zu erzeugen
und welche Abhängigkeiten bestehen hierbei im Hinblick auf die Partikelgröße
und -größenverteilung?
3. Welche Anforderungen an die umhüllten Pulver (Fraktionierung, Thermoplastanteil
etc.) bestehen, um diese mittels elektrostatischen Pulverbeschichtens und
ggf. anschließender Wärmebehandlung haftfest auf zu belotende Oberflächen
zu applizieren?
4. Bestehen veränderte Anforderungen bei der löttechnischen Verarbeitung der
applizierten Lotpulver in Vakuum- und Schutzgaslötprozessen bezogen auf eine
vergleichbare, konventionelle Lotpulver-Applikation (Aufsprühen von Lotpulver-
Suspensionen)? Gibt es qualitative Unterschiede im Lötergebnis zwischen den
beiden Applikationsformen?
2

3
Einleitung

Durchgeführte Arbeiten
2 Durchgeführte Arbeiten
2.1 Werkstoffe
Für die Untersuchungen wurden die CrNi-Stähle 1.4301 und 1.4404 sowie der
ferritische Chromstahl 1.4016 ausgewählt. Die Austenite werden bereits im großen
Umfang in Lötbauteilen eingesetzt, bei denen eine gute Korrosionsbeständigkeit
gegenüber wässrigen Medien und Verzunderungsbeständigkeit bei nicht allzu hohen
Temperaturen (< 300 °C) ausreicht. Der gewählte Ferrit 1.4016 hingegen ist ein
bevorzugter Werkstoff für Anwendungen, die einen kostengünstigen, korrosionsbeständigen
Werkstoff erfordern, an denen die Anforderungen bezüglich Umformbarkeit
niedriger als bei den CrNi-Stählen sind, aber ggf. höhere Festigkeiten
gewünscht werden. Zum Fügen wird dieser Werkstoff bislang vornehmlich geschweißt,
nicht zuletzt, weil noch wenig Praxiserfahrung mit gelöteten Bauteilen aus ferritischen
Chromstählen bestehen und der Lötprozess selbst anspruchsvoller als bei den
austenitischen CrNi-Stählen ist.
Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung der verwendeten Stähle.
Tabelle 1: Stahlwerkstoffe
Werkstoffbezeichnung
1.4301
1.4404
1.4016
Legierungselemente
Angaben in % Masseanteil
Cr Ni sonstige
17,0-
19,5
16,5-
18,5
15,5-
17,5
Eigenschaften
8,0-9,5 Si